Методы регистрации излучения

В аэрокосмических съемочных системах излучение регистриру­ется несколькими способами, основанными на его химическом, тепловом и электрическом действии. При этом используются раз­личные приемники (детекторы) излучения — фотографические материалы, фотоэлектрические и термоэлектрические элементы,

Зрительная система человека. С помощью зрительной системы человек получает максималь­ное количество информации об окружающем мире. Приемником световой энергии глаза является сетчатка - слой взаимо­связанных светочувствительных нервных клеток.

В соответствии с психофизиологическим законом Вебера -Фехнера интенсивность зрительных ощущений связана с их све­товым возбудителем, т. е. интенсивность ощущения растет пропорционально логарифму раздражения.

Цветное зрение. Из лучистой энергии глаз воспринимает лишь узкую часть спектра 0,4-0,8 мкм. Глазные среды поглощают все лучи короче 0,3 мкм и длиннее 1 мкм. Глаз представляет собой селективный приемник излучения, обладающий разной чувстви­тельностью к излучению различных волн. Палочки воспринимают синий цвет лучше, чем колбочки; зато колбочки видят темно-крас­ный цвет, тогда как палочки на него не реагируют (эффект Пуркинье). При дневном (колбочковом) зрении наибольшей чувстви­тельностью глаз обладает при длине волны 0,56 мкм. Зеленовато-желтый цвет этой зоны виден наиболее ярким. В области цветного зрения основной является идея, высказанная еще М. В. Ломоносовым и Т. Юнгом, о том, что сетчатка глаза имеет три вида рецепторов (колбочек), чувствительных к синим, зеленым и красным лучам. Рецепторы анализируют поступивший в глаз световой поток сложного спектрального со­става и, в зависимости от относительных величин красного, зеле­ного и синего излучения, синтезируют определенный результи­рующий цвет. Несмотря на то что трехцветная теория зрения, раз­работанная Г. Гельмгольцем, схематична, она, позволяя объяснить целый ряд явлений, хорошо согласуется с установленными на практике положениями смешения цветов. Известно, что каждое монохроматическое излучение воспринимается глазом в определенном цвете. Но различные цвета, кроме самых насыщенных, можно получить, искусственно смешивая в разных пропорциях три основ­ных цвета: синий (С), зеленый (3) и красный (К). Так, можно синтезировать цвета — голубой (Г), желтый (Ж), пурпурный (П) и ахроматический белый (серый) |(Б) цвет.

С + 3 = Г; 3 + К = Ж; С + К = П; С + 3 + К = Б.

Синтез цвета путем сложения основных цветов называется аддитивным.

Трем основным цветам С, 3, К соответствуют дополнительные цвета Ж, П и Г, которые попарно в сумме дают 'белый цвет. Если из белого цвета вычесть дополнительный, то получим основной цвет.

Б-Ж=С; Б-П = 3; Б - Г = К.

Синтез цвета путем вычитания из белого цвета дополнительных цветов называется субтрактивным.

Излучение определенного спектрального состава вызывает ощу­щение вполне определенного цвета, характеризующегося либо цветовым тоном (преобладающей длиной волны), чистотой цвета (насыщенностью) и яркостью (светлотой), либо трехцветными коэффициентами, определяющими ту пропорцию, в которой нужно смешать три основных монохроматических излучения для получе­ния данного цвета. Но цвет неоднозначно определяет спектраль­ный состав лучистого потока. Например, ощущение желтого цвета вызывает лучистый монохроматический поток с длиной волны 580 нм и поток, состоящий из смеси зеленых и красных лучей. Существует множество спектральных распределений, вызывающих одинаковое ощущение цвета. Надо иметь в виду, что визуальное восприятие цвета сильно зависит от цвета окружающих объектов, т. е. цветового контраста. Ахроматические объекты на цветном фоне воспринимаются с цве­товыми оттенками дополнительного цвета к цвету фона. Например, серый объект на красном фоне будет восприниматься зеленова­тым, а зеленый — еще более зеленым.

Стереоскопическое зрение. Видение двумя глазами обеспечи­вает.стереоскопическое зрение, позволяющее человеку достаточно хорошо оценивать пространственное размещение объектов и их трехмерную форму. Стереоскопическое зрение широко использует­ся при обработке снимков.

Психофизиологический механизм образования (синтезирова­ния) единого пространственного образа по двумерным изображе­ниям левого и правого глаза еще не совсем ясен, поэтому мы ограничимся рассмотрением упрощенной геометрической схемы стереоскопического зрения. Когда наблюдатель фиксирует взгляд на какой-либо точке объекта, то визирные оси его глаз пересе­каются под так называемым углом конвергенции, а изображения на сетчатке попадают в зону особо ясного видения. Если точка фиксации находится очень далеко, то визирные линии становятся параллельными, а угол конвергенции — равным нулю. Чем ближе объект наблюдения, тем больше угол конвергенции и на расстоя­нии 250 мм от глаз он равен 15°. По величине конвергенции и свя­занной с ней аккомодации человек судит об абсолютном удалении объектов. Но один этот дальномерный механизм позволяет дать только весьма приближенные оценки расстояний и пространствен­ного положения объектов по глубине. Точную оценку взаимного (относительного) пространственного положения объектов обеспечи­вает другой механизм стереоскопического зрения, основанный на различии двух глазных изображений (диспаратности). Если не­много ближе или дальше точки фиксации выбрать другую точку объекта, то ее изображение на левой и правой сетчатках попадает на их разные участии. Величина этого смещения (диспаратности), называемого физиологическим (бинокулярным) параллаксом, за­висит от относительного удаления точек фиксации и наблюдения. Чем ближе к наблюдателю расположен объект и больше физиоло­гический параллакс, тем сильнее воспринимается объемность (рельефность, пластичность, стереоскопичность) пространственно­го образа. Для восприятия объемности величина физиологического параллакса должна лежать в определенных пределах: если она больше критической величины, равной 0,4 мм, то точка восприни­мается двоящейся и пространственный образ объекта разрушается.

Зрительные пороги. Абсолютная светочувствительность зрения приближается к возможному пределу — глаз в состоянии реаги­ровать на единицы фотонов. Но нас больше интересует не абсо­лютная светочувствительность зрения, а относительная, позволяю­щая различать тоновые переходы в натуре и на снимках. Еще классическими опытами Э. Вебера установлено, что человек в со­стоянии воспринимать лишь такие яркостные различия объектов, работе порог контрастности при-нимают равным 0,02. В инженерной психологии рекомендуется, чтобы величина контраста, обеспечивающая надежное различение объектов, в 15—30 раз превышала пороговую величину. Принято считать, что человек различает свыше ста ахроматических тоновых градаций, от белого до черного, хотя в практической работе со снимками эту величину уменьшают до 10—20. Цветовое восприятие человека значительно тоньше. В видимомспектре принято выделять семь-восемь спектральных цветов. Число же цветов, которое может воспринять зрительный анализатор, значительно больше. Практикой установлено, что в спектре человек в состоянии различить около 150 цветовых тонов. К этому надо добавить отсутствующий в спектре ряд пурпурных цветов (до30 оттенков). Вариации цветности особенно хорошо заметны в го­лубой и желтой зонах спектра — здесь глаз улавливает изменение в длине световой волны всего на 1 нм. Ощущение цвета зависит не только от цветового тона, но и от насыщенности (чисто­ты) цвета. Каждый цвет, ха­рактеризуемый цветовым тоном и насыщенностью, может меняться по яркости (светлости). Здесь глаз улавливает свыше ста града­ций яркости. Сейчас принято считать, что общее число различае­мых глазом цветов, отличающихся по цветовому тону, насыщен­ности и светлоте, превосходит 10 000.

Способность глаза различать мелкие детали характеризуется остротой зрения - минимальным углом, под которым наблюда­тель еще видит раздельно две светящиеся точки, принимаемым равным 1—2'. Другой мерой различения глазом деталей является разрешающая способность, т. е. величина, показывающая число раздельно воспринимаемых глазом черных параллельных штрихов, приходящихся на один миллиметр длины и имеющих равную шири­ну со светлыми промежутками между ними. Раньше разрешаю­щую способность измеряли в линиях на миллиметр (л/мм), в на­стоящее время в качестве единицы измерения принят 1 мм^-1. Раз­решающая способность человеческого глаза на расстоянии наилуч­шего зрения (250 мм) принимается равной 5 мм^-1, при этом глаз еще в состоянии различить штрихи шириной 0,1 мм, разделенные такими же промежутками. Если частота штрихов больше, чем 5 мм^-1, то наблюдатель не увидит отдельных штрихов, а будет вос­принимать их как равномерное серое поле.

Возможность различения мелких деталей зависит не только от их размера, но и формы, контраста и четкости (резкости). Вы­тянутые линейные детали различаются в 2—3 раза лучше, чем, компактные. Чем выше контраст между деталью и фоном, тем лучше она различается. С уменьшением' четкости (резкости) ухудшается восприятие деталей. Размер различаемой глазом де­тали растет прямо пропорционально увеличению ширины полосы размытости ее изображения.

Различимость объектов по глубине зависит от остроты стерео­скопического зрения - наименьшего значения физиологического параллакса, равного среднему расстоянию между рецепторами 0,002 мм. Величину остроты стереоскопического зрения можно выразить и в угловой мере. Для различного рода расчетов среднее значение остроты стереоскопического зрения принимают равной 30".

Приведенные выше зрительные пороги получены для «земных» условий. В состоянии невесомости у космонавтов вначале ухуд­шаются острота, контрастная чувствительность и другие психофи­зические характеристики зрения, которые после адаптационного периода восстанавливаются в норме.

Фотографическая регистрация. В аэрокосмических методах наиболее распространенным и уни­версальным способом регистрации излучения является фотографи­ческая регистрация. До настоящего времени фотографические снимки Земли значительно лучше, чем сканерные и телевизионные. В последнее время аналоговые фотографии полностью заменены цифровой съемкой и поэтому, методики фотографической съемки утратили свою актуальность.

Электрическая регистрация излучения. С помощью электрических приемников излучения удается ре­гистрировать весь спектр электромагнитных волн, используемых при аэрокосмических исследованиях. При регистрации оптического излучения ответный электрический сигнал возникает или вслед­ствие непосредственного воздействия излучения на чувствитель­ный элемент приемника (фотоэлектрический эффект) или вслед­ствие его нагревания (термоэлектрический эффект). В соответствии с этим приемники излучения в оптическом диапазоне делят на фото- и термоэлектрические. Регистрация излучения в радиодиа­пазоне основана на возникновении переменного электрического тока в проводнике (антенне) при воздействии на него радиоизлу­чения (электромагнитная индукция).

Фотоэлектрические приемники, или фотоэлементы, основаны на внешнем (электровакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители) и внутреннем фотоэлектрическом эффекте (полу­проводниковые фотосопротивления, фотодиоды и др.).

У электровакуумного фотоэлектронного умно жителя (ФЭУ) чувствительный элемент делают из металла, который под дей­ствием поглощенного излучения испускает электроны. Вырван­ные светом электроны многократно попадают на промежуточные чувствительные элементы, что значительно усиливает вырабаты­ваемый ФЭУ фототек. Электровакуумные фотоэлементы наибо­лее чувствительны к видимому излучению. Их достоинство — вы­сокие фотометрические свойства.

В настоящее время для регистрации излучения широкое рас­пространение получили приборы с зарядовой связью, так называе­мые ПЗС-приемники. Это многоэлементные фотоэлектрические приемники излучения, которые состоят из миниатюрных фото­диодов, соединенных в одномерные линейки или двумерные мат­рицы. Размер отдельного чувствительного элемента приемника очень мал — меньше 0,01 мм. Лучшие образцы современных при­емников-линеек включают более десяти тысяч, а матрицы — не­сколько миллионов чувствительных элементов. Цикл работы этих детекторов достаточно сложный: он включает выработку ответно­го электросигнала, интенсивность которого пропорциональна яркости подействовавшего на приемник света, запоминание сиг­нала каждого элемента и их последовательное считывание. Управ­ляя считыванием, возможно выбирать отдельные элементы или их группы для получения результирующего сигнала. Применение многоэлементных фотоэлектрических приемников ПЗС для реги­страции излучения открыло широкие перспективы в создании геометрически и радиометрически точных многозональных съе­мочных систем высокого пространственного разрешения, кото­рые можно быстро адаптировать к изменяющимся внешним усло­виям съемки.

Общая чувствительность фотоэлектрических приемников в не­сколько раз выше, чем фотопленок, что позволяет вести съемку при сравнительно коротких выдержках или более низкой осве­щенности. Ценными их свойствами являются также чувствитель­ность к инфракрасному излучению, возможность регистрировать более широкий диапазон интенсивности излучения, а также линейная зависимость между ответным электрическим сигналом и подействовавшим излучением.

Термоэлектрические приемники. Для регистрации теплового инфракрасного излучения применяются приемники, которые ре­агируют на поглощенное излучение нагреванием чувствительного элемента. Работа термоэлектрического приемника болометра ос­нована на изменении электрического сопротивления нагреваю­щейся зачерненной металлической фольги; в терморезисторах используют полупроводники, которые чувствительны не только к свету, но и к нагреванию (германий с включением ртути). Для надежной работы термоэлектрического приемника необходимо его глубокое (-200 °С) охлаждение. Термоприемники менее чувстви­тельны и медленнее реагируют на воздействующее излучение, чем фотоприемники.

Важным показателем электрических приемников излучения служит внутренний шумовой ток. Чем лучше соотношение сиг­нал/шум, тем более высокое разрешение могут иметь съемочные системы с электрическими приемниками излучения.

Антенны. Простейшей антенной, которая является приемни­ком и излучателем электромагнитных волн радиодиапазона, мо­жет служить металлический стержень. Если стержень соединить с генератором электрических колебаний, он станет излучать в ок­ружающее пространство электромагнитные волны, и наоборот, приходящие электромагнитные волны будут индуцировать в нем электрический ток. Направленность действия антенны зависит от ее конструкции. Помещая антенну-стержень в параболический металлический рефлектор, получают остронаправленное излуче­ние существенно большей мощности. Рефлектор у приемной ан­тенны в сотни и тысячи раз повышает и ее чувствительность. Чем больше размер рефлектора, тем уже направленность действия ан­тенн.

Дата добавления: 2014-01-06